MEMS掃描鏡介紹-MEMS微鏡按原理區(qū)分

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上MEMS掃描鏡介紹,MEMS微鏡按原理區(qū)分MEMS微鏡是指采用光學(xué)MEMS技術(shù)制造的，把微光反射鏡與MEMS驅(qū)動(dòng)器集成在一起的光學(xué)MEMS器件。MEMS微鏡的運(yùn)動(dòng)方式包括平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)兩種機(jī)械運(yùn)動(dòng)。對(duì)于扭轉(zhuǎn)MEMS微鏡，當(dāng)其光學(xué)偏轉(zhuǎn)角度較大（達(dá)到10°以上），主要功能是實(shí)現(xiàn)激光的指向偏轉(zhuǎn)、圖形化掃描、圖像掃描時(shí)，可被稱為“MEMS掃描鏡”，以區(qū)別于較小偏轉(zhuǎn)角度的扭轉(zhuǎn)MEMS微鏡。MEMS掃描鏡是激光應(yīng)用必不可少的關(guān)鍵激光元器件，應(yīng)用領(lǐng)域已滲透到消費(fèi)電子、醫(yī)療、軍事國防、通訊等。這其中有已經(jīng)量產(chǎn)的應(yīng)用，還有許多概念性的應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域有三個(gè)方面：激光掃描、光通訊

2、、數(shù)字顯示。掃描鏡主要可用在激光雷達(dá)LiDAR、3D攝像頭、條形碼掃描、激光打印機(jī)、醫(yī)療成像；光通訊主要指光分插復(fù)用器、光衰減器、光開關(guān)、光柵；數(shù)字顯示指高清電視、激光微投影、數(shù)字影院、汽車抬頭顯示（HUD）、激光鍵盤、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等方面的應(yīng)用。MEMS微鏡在激光雷達(dá)的應(yīng)用MEMS微鏡在3D攝像頭中的應(yīng)用MEMS微鏡在光學(xué)通訊中的應(yīng)用MEMS微鏡在激光虛擬鍵盤的應(yīng)用MEMS微鏡在DLP的應(yīng)用是一個(gè)成功的例子。DLP顯示的核心技術(shù)則是采用靜電原理的MEMS微鏡組成的陣列，每一面微鏡構(gòu)成一個(gè)單色像素，由微鏡下層的寄存器控制特定鏡片在開關(guān)狀態(tài)間的高速切換，將不同顏色的像素糅合在一起。DLP技術(shù)在

3、1987年問世，最初僅用于國防，直到1996年才投入商業(yè)化應(yīng)用：投影儀。與傳統(tǒng)的35毫米膠片電影相比，DLP影院顯示技術(shù)所呈現(xiàn)的影像色彩更鮮艷、更精準(zhǔn)。這多虧了DLP顯示引擎光學(xué)效率的BrillianColor（極致色彩）技術(shù)，這種技術(shù)不僅讓電影公司在影片的包裝和發(fā)行上變得更得心應(yīng)手，同時(shí)也讓觀眾能享受到更精彩的視覺盛宴。更重要的是，DLP芯片出色的高穩(wěn)定性和高可靠性也是讓其能夠在影院大放異彩的重要原因之一。德州儀器DLP芯片技術(shù)發(fā)明者Larry Hornbeck博士，他因其與多名工程師發(fā)明的微鏡裝置，于2015年的奧斯卡“科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)”上被授予奧斯卡獎(jiǎng)！MEMS微鏡按原理區(qū)分，主要包括四種：靜

4、電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)。其中前兩種技術(shù)比較成熟，應(yīng)用也更廣泛。比如德州儀器的DLP中的MEMS微鏡陣列采用的是靜電驅(qū)動(dòng)模式，且在投影領(lǐng)域一家獨(dú)大；而博世最新推出的全新交互式激光投影微型掃描儀BML050中的MEMS微鏡、濱松今年發(fā)布的MEMS微鏡S12237-03P、意法半導(dǎo)體與美國MicroVision公司合作生產(chǎn)的MEMS微鏡，均采用電磁驅(qū)動(dòng)原理；MEMSCAP和微奧科技的MEMS微鏡采用電熱驅(qū)動(dòng)原理。而壓電驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品還未看到大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)。1.  靜電驅(qū)動(dòng)所謂靜電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，就是利用電荷間的庫侖力作為驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的技術(shù)。通過靜電作用使可以活動(dòng)的微鏡面轉(zhuǎn)

5、動(dòng)，從而改變光路。雖然驅(qū)動(dòng)力較其他原理的器件相比偏小，但工藝兼容性較好，可以使用體硅和表面硅機(jī)械加工工藝制作，便于實(shí)現(xiàn)集成。靜電驅(qū)動(dòng)技術(shù)按結(jié)構(gòu)分，主要有平行板電容結(jié)構(gòu)、抓刮結(jié)構(gòu)（scratch drive actuator，SDA）和梳齒結(jié)構(gòu)三大類。所謂的平板電容結(jié)構(gòu)，就是在平板電容的兩端施加電壓，上級(jí)板可動(dòng)，下極板固定。當(dāng)外加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，靜電力使極板間距減小，造成靜電力增大；靜電力的增大進(jìn)一步引起極板間距的減小，又使靜電力進(jìn)一步增大，這是一個(gè)正反饋過程。因此，通過對(duì)外加電壓的控制實(shí)現(xiàn)鏡面的扭轉(zhuǎn)，但只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓在一定范圍內(nèi)才是穩(wěn)定的。下圖是平行板電容結(jié)構(gòu)MEMS微鏡的原理示意圖。抓刮結(jié)構(gòu)SD

6、A驅(qū)動(dòng)的MEMS微鏡，當(dāng)懸空平面上沒有施加電壓時(shí)，懸空平面與基底平行，當(dāng)懸空平面上施加電壓時(shí)，平面被拉下，當(dāng)電壓消失時(shí)由于末端與連接器相連而不能復(fù)位，所以整個(gè)平面就實(shí)現(xiàn)了橫向的移動(dòng)。梳齒驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有兩排交錯(cuò)的梳齒，其中一排與基底連接，另外一排與鏡面相連接。當(dāng)兩排梳齒結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)變化時(shí)，梳齒之間的電場(chǎng)發(fā)生變化產(chǎn)生作用力而使得鏡面偏轉(zhuǎn)。下圖是西北工業(yè)大學(xué)研制的MEMS微鏡（左：平行分布梳齒；右：發(fā)散分布梳齒）2.  電磁驅(qū)動(dòng)電磁驅(qū)動(dòng)為電流驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓低，無需升壓芯片。此外，電磁驅(qū)動(dòng)具有扭轉(zhuǎn)角度大、可以實(shí)現(xiàn)電流型線性驅(qū)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但總體來說，與靜電驅(qū)動(dòng)掃描鏡比較，電磁驅(qū)動(dòng)掃描鏡

7、的驅(qū)動(dòng)功耗相對(duì)較高，還需要配置永磁鐵，模塊尺寸相對(duì)較大。就工作原理而言，在鏡面背后放置4個(gè)線圈，線圈距離磁鐵有一定的距離。下圖中，線圈對(duì)應(yīng)磁鐵A、B、C、D的4個(gè)位置，當(dāng)A、C線圈施加電流時(shí)，產(chǎn)生相位相差90°的交流激勵(lì)信號(hào)，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的極性恰好相反且交替變化。線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)于磁鐵相互作用，產(chǎn)生方向相反的轉(zhuǎn)矩，鏡面以B、D線圈所在軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，同理，如果給B、D線圈施加電流，也會(huì)出現(xiàn)同樣效果，這就是二維微鏡的工作原理。下圖是二維電磁驅(qū)動(dòng)MEMS微鏡示意圖。3.  電熱驅(qū)動(dòng)電熱驅(qū)動(dòng)是利用材料對(duì)溫度的敏感而產(chǎn)生不同的形變量，從而引起鏡面的扭轉(zhuǎn)?？梢圆捎脙蓚€(gè)相同材料的膨脹臂，有V型結(jié)構(gòu)、U型結(jié)構(gòu)、Z型結(jié)構(gòu)等。也可以采用雙材料結(jié)構(gòu)，利用不同材料的熱膨脹系數(shù)的差異，在溫度變化時(shí)產(chǎn)生不同的形變，從而驅(qū)動(dòng)鏡面扭轉(zhuǎn)。微奧科技MEMS微鏡采用一種獨(dú)特的電熱式雙S型Bimorph（雙層材料梁）驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使用熱膨脹率不同的兩種材料制作成懸臂梁，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，Bimorph就會(huì)產(chǎn)生形變。在Bimorph頂端連接一個(gè)鏡面并在Bimorph中集成一個(gè)加熱電阻，在改變加熱電阻的電壓時(shí)Bimorph變形并帶動(dòng)鏡面轉(zhuǎn)動(dòng)。4.  壓電驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)是指利用材料的